第三節 氫鍵

2020-12-04 生物谷

第三節　氫鍵

　　一、氫鍵的本質

　　氫原子與電負性很大、半徑很小的原子X（F，O，N）以共價鍵形成強極性鍵H-X，這個氫原子還可以吸引另一個鍵上具有孤對電子、電負性大、半徑小的原子Y，形成具有X-H…Y形式的物質。這時氫原子與y 原子之間的定向吸引力叫做氫鍵（以H…Y表示）。

　　氫鍵的本質一般認為主要是靜電作用。在X-H…Y中，X-H是強極性共價鍵，由於X的電負性很大，吸引電子能力強，使氫原子變成一個幾乎沒有電子云的「裸露」的質子而帶部分正電荷。它的半徑特別小，電場強度很大，又無內層電子，可以允許另一個帶有部分負電荷的Y原子（即電負性大，半徑小且有孤對電子的原子）充分接近它，從而產生強烈的靜電相互作用而形成氫鍵。

　　一般分子形成氫鍵必須具備兩個基本條件：

　　1．分子中必須有一個與電負性很強的元素形成強極性鍵的氫原子。

　　2．分子中必須有帶孤對電子，電負性大，原子半徑小的元素。

　　氫鍵常在同類分子或不同類分子之間形成，叫做分子間氫鍵，如氟化氫、氨水：

　　二、氫鍵的鍵長和鍵能

　　氫鍵的鍵長是指X-H…Y中X與Y原子的核間距離。在HF締合而成的（HF）n締合分子中，氫鍵的鍵長為255pm，而共價鍵（F-H間）鍵長為92pm。由此可得出，H…F間的距離為163pm（255-92）。可見氫原子與另一個HF分子中的F原子相距是較遠的。

　　氫鍵的鍵能是指被破壞H…Y鍵所需要的能量。氫鍵的鍵能約為15-30kJ·mol-1，比一般化學鍵的鍵能小得多，和範德華力的數量級相同。氫鍵的強弱與X和Y的電負性大小有關。電負性越大，氫鍵的強弱還和Y的半徑大小有關，y 的半徑越小，越能接近H-X鍵，形成的氫鍵也越強。例如F的電負性最大，半徑又小，所以F-H…F是最強的氫鍵，O-H…O次之，O-H…N又次之，N-H…N更次之。

　　三、氫鍵的飽和性和方向性

　　氫鍵具有飽和性和方向性。氫鍵的飽和性表現在X-H只能和一個Y原子相對合。因為H原子體積小，X、Y都比氫大，所以當有另一個Y原子接近他們時，這個Y原子受到X-H…Y上X和Y的排斥力大於受到H原子的吸引力，使得X-H…Y上的氫原子不能再和第二個Y原子結合，這就是氫鍵的飽和性。

　　氫鍵的方向性是指Y原子與X-H形成氫鍵時，在儘可能的範圍內要使氫鍵的方向與X-H鍵軸在同一個方向，即以H原子為中心三個原子儘可能在一條直線上。氫原子儘量與Y原子的孤對電子方向一致，這樣引力較大；三個原子儘可能在一條直線上，可使X與Y的距離最遠，斥力最小，形成的氫鍵強。

　　四、氫鍵對物質性質的影響。

　　（一）對沸點和熔點的影響

　　在同類化合物中，能形成分子間氫鍵的物質，其熔點、沸點要比不能形成分子間氫鍵的物質的熔點、沸點高些。因為要使固體熔化或液體汽化，不僅要破壞分子間的範德華力，還必須提供額外的能量破壞氫鍵。H2O，HF，NH3的熔點和沸點比同族同類化合物為高（見表4-3），因為它們都可形成分子間氫鍵。

表4－3　H2O，HF，NH3及其同族同類化合物的熔、沸點

化合物 mp/℃ bp/℃ 化合物 mp/℃ bp/℃ 化合物 mp/℃ bp/℃ H2O 0 100 HF -80.3 19.5 NH3 -77.7 -33.4 H2S -85.6 -60.7 HCL -112 -84 PH3 -133.5 -87.4 H2Se -64 -42 HBr -88 -67.0 AsH3 -116 -62 H2Te -48 -1。8 HI -50。9 -35.4 SbH3 -88 -17

　　（二）對溶解度的影響

　　在極性溶劑中，如果溶質分子和溶劑分子之間可以形成氫鍵，則溶質的溶解度增大。例如，苯胺和苯酚在水中的溶解度比在硝基苯中的溶解度要大。

相關焦點

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    氫原子與電負性大、半徑小的原子
  • 認識氫鍵
    Cl的電負性和N相同，但半徑比N大，只能形成極弱氫鍵 O-H…Cl,  O-H…S氫鍵更弱。另外C因電負性甚小，一般不形成氫鍵。所以氫鍵的強弱與X、Y的電負性和半徑大小有密切關係。     （2）傳統上認為氫鍵具有方向性和飽和性，但是，普通氫鍵一般以靜電力為主，而靜電作用沒有方向性和飽和性，因此氫鍵並不具有共價鍵那樣的方向性和飽和性。常見的氫鍵鍵角接近180。
  • 第1-3-8節 分子間作用力和氫鍵 高中化學必修2
    2.氫鍵——較強的分子間作用力⑴概念：某些氫化物分子間存在的比分子間作用力稍強的作用力叫做氫鍵，其本質還是靜電作用；或氫鍵是指與原子半徑較小、非金屬性很強的原子(F、O、N等) 相結合的氫原子(幾乎成為H+)與另一分子中原子半徑較小、非金屬性很強的原子(幾乎成為陰離子)之間的靜電作用；
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  • 【氫鍵·數目】運用均攤法計算化合物分子間氫鍵的數目
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    學習有機化學的過程中經常會遇到氫鍵，很多同學看到氫鍵兩個字一頭霧水，那麼到底什麼是氫鍵？氫鍵又能來解釋什麼？
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  • 《JACS》：多重氫鍵的定量分析
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    其實這都是氫鍵神奇的魔力 [1]。據說，今年是氫鍵被提出的一百周年 [2]。之所以用「據說」，是因為有關氫鍵概念的提出時間一直存在爭議。不過，可以肯定的是，關於氫鍵的研究至少已經歷了一個世紀的歷程。圖片來源於網絡如今，高中課本中這樣描述氫鍵，「分子之間存在著一種比分子間作用力稍強的相互作用，這種相互作用叫做氫鍵」。2011年，國際純粹與應用化學聯合會（IUPAC）將氫鍵定義更新，「氫鍵就是鍵合於一個分子或分子碎片Ｘ–Ｈ上的氫原子與另外一個原子或原子團之間形成的吸引力。有分子間氫鍵和分子內氫鍵之分，其Ｘ的電負性比氫原子強。
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    中科院國家納米科學中心22日宣布，該中心科研人員在國際上首次「拍」到氫鍵的「照片」，實現了氫鍵的實空間成像，為「氫鍵的本質」這一化學界爭論了80多年的問題提供了直觀證據。這為科學家理解氫鍵的本質，進而改變化學反應和分子聚集體的結構奠定了基礎，也為科學家在分子、原子尺度上的研究提供了更精確的方法。
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    可以看到，研究者對於超臨界水中氫鍵比例的研究或者說是猜測結論不一，但唯一可以肯定的是，在超臨界狀態下，水中的氫鍵數量比室溫狀態下要少。224飛秒，而氫鍵壽命只有78飛秒，振蕩周期超過了氫鍵的壽命，換句話說，在超臨界狀態水中不存在氫鍵，這一研究回答了長期以來困擾科學家的關於超臨界水中有多少氫鍵的難題，與室溫狀態相比，超臨界水中氫鍵數量不是少，而是零，這一成果發表在《德國應化》
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  • 分子間作用力和氫鍵
    ２．實質：氫鍵不是化學鍵，屬於分子間作用力的範疇．但比普通分子間作用力要強得多．３．存在：水．冰．氨．無機酸．醇等物質能形成氫鍵．４．分類：分子內氫鍵和分子間氫鍵５．影響：分子間氫鍵的形成除使物質的熔沸點升高外，對物質的溶解度．硬度等也都有影響．６．表示法：用＂X—H…Y＂表示，且三原子要在一條直線上．X、Y與H構成分子。
  • 【經濟日報】看,這就是氫鍵!
    這些有趣問題的答案，都離不開對氫鍵的認識。科學家們1936年就通過理論分析提出了「氫鍵」的概念，但一直不能眼見為實。　　直到去年年底，神秘氫鍵的倩影終於被我國科學家用照片記錄下來。國家納米科學中心研究員裘曉輝、副研究員程志海領導的納米表徵與測量研究團隊，拍下了世界上第一張氫鍵照片。
  • 氫鍵的基本概念和表徵方法
    正是由於氫鍵的存在影響著很多物質的性質，其在化學、物理、生物等領域都非常重要，一直是化學家們感興趣的熱門領域之一。氫鍵可通過各種實驗方法來表徵，如紅外光譜測定法、拉曼光譜測定法、氣相微波旋轉光譜學、中子非彈性散射、核磁共振、氘核四級耦合、氘核衍射、X光衍射等等。因此，在本文中，筆者對氫鍵的常用測試表徵手段進行了匯總，並引用了相關具體實例。
  • 我國科學家在國際上首次「看到」氫鍵
    本報北京11月22日電（記者齊芳）中科院國家納米科學中心22日宣布，該中心科研人員在國際上首次「拍」到氫鍵的「照片」，實現了氫鍵的實空間成像，為「氫鍵的本質」這一化學界爭論了80多年的問題提供了直觀證據。這不僅將人類對微觀世界的認識向前推進了一大步，也為在分子、原子尺度上的研究提供了更精確的方法。
  • 分子晶體與氫鍵
    這個地方要注意的是，X-H，是因為X的電負性非常大，才是H帶上電正性，接近於裸露的質子， 這個Y 是因為電負性大，半徑小，並且有孤對電子，才能使這個孤對電子與H靠近，形成氫鍵。也請認真思考一下，鄰硝基苯酚的分子內氫鍵是如何的？ 對硝基苯酚分子間能否形成氫鍵？